第7章光电式传感器
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第7章 传感器技术-光电效应及传感器
光源
被测非电量 位移、转速、 振动等
光学通路
光量
光电传感元件
△U 或△I
测量/显示
光电传感器的分类 按传感器输出量的性质， 按传感器输出量的性质，可以分为模拟式 开关式（脉冲式）二大类。 和开关式（脉冲式）二大类。
模拟式光电传感器
该类传感器基于光电元件的光电特性， 该类传感器基于光电元件的光电特性，其 基于光电元件的光电特性 光通量是随被测量而变， 光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 传感器输出量为连续变化的光电流， 传感器输出量为连续变化的光电流，器件 的光照特性呈单值线性， 的光照特性呈单值线性，光源的光照要求保持 均匀稳定。 反射式、 均匀稳定。它的形式有吸收式、反射式、遮光 式和辐射式。
5、时差测距。典型应用如光电测距仪， 时差测距。典型应用如光电测距仪， 是将恒定光源发出的光投射到目的物， 是将恒定光源发出的光投射到目的物，并用 光电元件接收反射光， 光电元件接收反射光，通过对光信号在光源 与目的物之间往返时间的测量， 与目的物之间往返时间的测量，从而计算出 光源与目的物间的距离。 光源与目的物间的距离。
发光二极管阵列（SSPA） 发光二极管阵列（SSPA） 电荷耦合器件（CCD） 电荷耦合器件（CCD）
这两类光电器件实际上是集成化、 这两类光电器件实际上是集成化、 模块化的光电元件组合， 模块化的光电元件组合，他们的工作原 理类似，根据需要， 理类似，根据需要，可以做成线阵或面 阵的形式。 阵的形式。目前在图象采集与处理技术 电荷耦合器件CCD CCD已经得到了大量 中 ， 电荷耦合器件 CCD 已经得到了大量 的应用。 的应用。
内光电效应－ 内光电效应－
光电式传感器
-20 ºC 3.0 4.0 λ/μm
21
常用光敏电阻旳性能参数
给出常用国产MG型光敏电阻旳性能参数
表2.5（1）
常用旳光敏电阻器型号有密封型旳MG41、MG42、MG43和非密封型旳MG45（售22价便 宜）。它们旳额定功率均在200mW下列。
② 光敏晶体管
广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、控制伺服电 机转速旳检测、光电读出装置等场合。
根据能量守恒定理
h
1 2
m02
A
式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。 h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光旳频率（s-1）
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。
可见：光电子能否产生，取决于光子旳能量是否不小于该物体旳表面逸出功。
h A
hc A
1.239 A
m
0
即入射光波长不大于波长限
光敏二（三）极管存在一种最佳敏捷度旳峰值波长。当入射光旳波长增长时， 相对敏捷度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光旳 波长缩短时，相对敏捷度也下降，这是因为光子在半导体表面附近就被吸收， 而且在表面激发旳电子空穴对不能到达PN结，因而使相对敏捷度下降。01.239 A Nhomakorabeam
时才干产生外光电效应 6
光电管
光电管是装有光阴极和阳极旳真空玻璃管，其阴极受到合适旳光照后发 射光电子，这些光电子被具有一定电位旳阳极吸引，并在管内形成空间 电子流，称为光电流。 此时若光强增大，轰击阴极旳光子数增多，单位时间内发射旳光电子数 也就增多，光电流变大。 在光电管旳外电路上接合适电阻，电阻上旳电压降将和管内空间电流成 正比，或与照射到光电管阴极上旳光有函数关系，从而实现光电转换。
《光电式传感器》课件
光电式传感器的Байду номын сангаас类
• 总结词：光电式传感器有多种分类方式，如按工作方式可分为直接转换 型和间接转换型，按输出信号可分为模拟输出和数字输出等。
• 详细描述：根据工作方式的不同，光电式传感器可以分为直接转换型和间接转换型两类。直接转换型传感器利用光电效 应直接将光信号转换为电信号，如光电管、光电倍增管等；而间接转换型传感器则通过其他物理效应将光信号转换为电 信号，如光电池、光电晶体管等。此外，根据输出信号的不同，光电式传感器可以分为模拟输出和数字输出两类。模拟 输出型传感器输出连续变化的电信号，如光电管和光电池；数字输出型传感器则输出离散的电信号，如光电码盘和光电 开关等。
联网领域的应用越来越广泛。未来，需要加强光电式传感器在这些领域
的应用研究，推动相关技术的进步和发展。
03
交叉学科融合发展
光电式传感器涉及到多个学科领域，如物理学、化学、生物学等。未来
，需要加强交叉学科的融合发展，推动光电式传感器在更多领域的应用
和创新。
光电式传感器通常采用光信号传输，不易 受到电磁干扰的影响，具有较好的抗干扰 能力。
光电式传感器的缺点
对环境光敏感
光电式传感器容易受到环境光的影响 ，特别是在室外或者强光环境下，测 量精度会降低。
成本较高
光电式传感器通常需要使用高精度的 光学元件和电子元件，导致其成本较 高。
需要稳定的光源和检测器
光电式传感器需要稳定的光源和检测 器，以保证测量的准确性和稳定性。
《光电式传感器 》PPT课件
目录
• 光电式传感器概述 • 光电式传感器的应用 • 光电式传感器的优缺点 • 光电式传感器的发展趋势 • 光电式传感器的研究现状与展望
01
第七章 光电型传感器与测量电路
2．光生伏特效应及器件 光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。 当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着 内建结电场，其方向是从N区指向P区，如图7-12所示。 当光照射到结区时，光照 产生的电子一空穴对在结电场 作用下，电子推向N区，空穴推 向P区；电子在N区积累和空穴 在P区积累使PN结两边的电位 发生变化，PN结两端出现一个 因光照而产生的电动势，这一 现象称为光生伏特效应。由于 它可以像电池那样为外电路提 供能量，因此常称为光电池。
图7-8 金属封装的CdS光敏电阻
图7-9 光电二极管原理图
(2) 光敏二极管PN结可以光电导效应工作，也可以光生伏特 效应工作。如图7-9所示，处于反向偏置的PN结，在无光照时 具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子一 空穴对，在结电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动， 形成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈 大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此 光照时的反向电流基本上与光强成正比。
图7-3 光电管
光电倍增管的结构如图7-4 所示。在玻璃管内除装有光电 阴极和光电阳极外，尚装有若 干个光电倍增极。光电倍增极 上涂有在电子轰击下能发射更 多电子的材料。光电倍增极的 形状及位置设置得正好能使前 一级倍增极发射的电子继续轰 击后一级倍增极。在每个倍增 极间均，依次增大加速电压。 光电倍增管的主要特点是： 光电流大，灵敏度高，其倍增 率为N=δn，其中δ为单极倍增 率(3～6)，n为倍增极数(4～14)。
7.3常用光电器件
光电器件是光电传感器的重要组成部分，对传感器的性能 影响很大。光电器件是基于光电效应工作的，种类很多。所谓 光电效应，是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的 能量而产生的电效应。一般地，光电效应分为外光电效应和内 光电效应两类。因此，光电器件也随之分为外光电器件和内光 电器件两类。 7.3.1 外光电效应及器件 在光的照射下，电子逸出物体表面而产生光电子发射的现 象称为外光电效应。 根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。 因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量ε大于该 物体的表面逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出功A， 因此对某特定材料而言，将有一个频率限νo(或波长限λ0)，称 为“红限”，不同金属光电效应的红限见表7-2。
《传感器技术与应用》课件第七章光电式传感器
器人视觉、自动化生产线等领域有广泛应用。
05
光电式传感器的优缺点 与发展趋势
光电式传感器的优点
测量精度高
非接触测量
光电式传感器采用光信号作为测量媒介， 具有较高的测量精度和灵敏度，能够实现 微小量的精确测量。
光电式传感器通过光信号与被测物体的相 互作用进行测量，无需直接接触被测物体 ，能够减少对被测物体的损伤和磨损。
光电二极管和光电晶体管
光电二极管
利用内光电效应制成的光电转换器件，能够 将入射光的辐射能转换为电流。
光电晶体管
在普通晶体管的基础上增加光敏基区，利用 内光电效应实现光信号的放大和调制。
光电耦合器
光电耦合器定义
将发光器件和光敏器件封装在同一壳 体内，通过光的传输实现电信号的传 输与隔离的器件。
光电耦合器原理
响应速度快
抗干扰能力强
光电式传感器具有较快的响应速度，能够 实现快速动态测量和实时控制。
光电式传感器采用光信号传输，不易受到 电磁干扰的影响，能够在复杂的环境中进 行稳定测量。
光电式传感器的缺点
对光源依赖性强
光电式传感器依赖于特定光源，如激光、红外线等，需要稳定的 光源和光路系统，对光源的稳定性要求较高。
利用光纤传输光信号，通过光电器 件将光纤中的光信号转换为电信号。
光电式传感器的应用领域
工业自动化控制
用于检测生产线上的产品、测量长度和速度 等参数。
环境监测
用于检测空气质量、水质等环境参数。
医疗诊断
用于检测生物体的生理参数，如血压、脉搏 等。
安全防范
用于监控、报警等安全系统，保障人员和财 产安全。
发光器件发出光线，光敏器件接收光 线并转换为电信号，从而实现输入与 输出之间的电气隔离。
05
光电式传感器的优缺点 与发展趋势
光电式传感器的优点
测量精度高
非接触测量
光电式传感器采用光信号作为测量媒介， 具有较高的测量精度和灵敏度，能够实现 微小量的精确测量。
光电式传感器通过光信号与被测物体的相 互作用进行测量，无需直接接触被测物体 ，能够减少对被测物体的损伤和磨损。
光电二极管和光电晶体管
光电二极管
利用内光电效应制成的光电转换器件，能够 将入射光的辐射能转换为电流。
光电晶体管
在普通晶体管的基础上增加光敏基区，利用 内光电效应实现光信号的放大和调制。
光电耦合器
光电耦合器定义
将发光器件和光敏器件封装在同一壳 体内，通过光的传输实现电信号的传 输与隔离的器件。
光电耦合器原理
响应速度快
抗干扰能力强
光电式传感器具有较快的响应速度，能够 实现快速动态测量和实时控制。
光电式传感器采用光信号传输，不易受到 电磁干扰的影响，能够在复杂的环境中进 行稳定测量。
光电式传感器的缺点
对光源依赖性强
光电式传感器依赖于特定光源，如激光、红外线等，需要稳定的 光源和光路系统，对光源的稳定性要求较高。
利用光纤传输光信号，通过光电器 件将光纤中的光信号转换为电信号。
光电式传感器的应用领域
工业自动化控制
用于检测生产线上的产品、测量长度和速度 等参数。
环境监测
用于检测空气质量、水质等环境参数。
医疗诊断
用于检测生物体的生理参数，如血压、脉搏 等。
安全防范
用于监控、报警等安全系统，保障人员和财 产安全。
发光器件发出光线，光敏器件接收光 线并转换为电信号，从而实现输入与 输出之间的电气隔离。
光电式传感器习习题集重点
第七章光电式传感器
7.1 简述光电式传感器的特点和应用场合,用方框图表示光电式传感器的组成。
7.2 何谓外光电效应光电导效应和光生伏特效应?
7.3 试比较光电池光敏晶体管光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。
7.4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能?它们对正确选用器件有什么作用?
7.5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件?试举例说明。
7.6 试用射线分析方法，阐明阶跃光纤的导光原理，并解释光纤数值孔径的物理意义。
7.7 举例说明光纤传感器各种调制方式的原理和应用。
7.8 说明光纤激光多普勒测速的原理和系统的组成。
7.9 试计算：基于法拉第旋光效应的石英光纤工频变流电流传感器的光纤匝数N。
已知：光纤线圈半径R=0.3m，电流有效值1000A，由其产生磁场引起光纤偏振光的最大偏转角为30度。
光电式传感器全解
7.1光电式传感器的基本元件
3.光敏晶体管
光敏二极管的PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射，光敏
二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时反向 电阻很大，反向电流很小。当光照射光敏二极管时，光子打在PN 结附近，使PN结附近产生光生电子—空穴对，它们在PN结处的 内电场作用下定向运动形成光电流。光的照度越大，光电流越大。 因此在不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时， 光敏二极管处于导通状态。
7.1光电式传感器的基本元件
4.光电倍增管 光电倍增管是基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件。
7.2 新型光电器件
7.2.1 CCD
电荷耦合器件(CCD)是一种大规模金属氧化物半导体(MOS)集成 电路光电器件，以电荷为信号。它具备光电信号转换、存储、转 移的功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优 点。CCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、 传真、通信以及工业检测和自动控制系统。
7.3 光栅式传感器
7.3.1 工作原理
光栅式传感器(或称光栅测量系统)是指利用光栅原理对输入量(位移量)进行 转换、显示的整个测量装置。它包括三大部分：光栅光学系统；实现细分、 辨向和显示等功能的电子系统；相应的机械结构。
7.3 光栅式传感器
莫尔条纹 : 光栅移动一个栅距，莫尔条纹走过一个条纹间距，电压输出的正弦
7.5 典型应用
6.光电开关 光电开关是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，
从而检测物体的有无。
7.5 典型应用
7.多普勒测速装置 当单色光束入射到运动体上某点时，光
波在该点被运动体散射，散射光频 率与入射光频率相比，产生了正比 于物体运动速度的频率变化，称为 多普勒频移。这种现象也称为光学 多普勒效应。多普勒频移不仅与入 射光频率有关，而且还带有运动体 的速度信息。因此，如果能测出多 普勒频移，就可以知道物体运动速 度。
传感器技术与应用第2版-部分习题答案
第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。
传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。
人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。
9．解：10. 解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度 0.68,线性度±7% 。
，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。
微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。
17．答：⑴20。
C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350 kΩ。
V0在48.78～67.63mV之间变化。
⑵如果R2=10 MΩ，R3=250 kΩ，20。
C时，V0在0～18.85mV之间变化。
30。
C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。
⑶20。
C时，V0为0～18.85mV，30。
C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。
但相对（2）得情况来说有很大的改善。
18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz, RS=1kΩ, VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V第3章应变式传感器概述习题答案9. 答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。
11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。
因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。
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发光二极管的发光原理：在N型半导体上扩散或者
外延生长一层P型半导体，PN结两边掺杂浓度呈递 减分布，光子频 率取决于PN结的价带和导带之间的能隙，改变能 隙大小可以改变二极管的发光频谱。
发光二极管的发光强度与电流成正比，这个电流约
7.1.2 气体放电光源
实例：低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱
仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯 的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长约为589nm， 它们经常用作光电检测仪器的单色光源。
特例：若利用高压或超高压的氙气放电发光，可制
成高效率的氙灯，它的光谱与日光非常接近。目前 氙灯又可以分为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯。
(二) 气体激光器
（1）氦-氖激光器是实验室常见的激光器，具有连续输 出激光的能力。它能够输出从红外的3.3μm到可见 光等一系列谱线，其中632.8nm谱线在光电传感器 中应用最广，该谱线的相干性和方向性都很好， 输出功率通常小于1mW，可以满足很多光电传感 器的要求。
➢ 气体介质均匀，激光稳定性好，另外气体可在腔内 循环，有利于散热，这是固体激光器所不具备的。
➢ 由于气体吸收线宽比较窄，气体激光器一般不宜采 用光泵作激励，更多的是采用电作激励。
种类：氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，
以及二氧化碳激光器、准分子激光器。它们的波长覆 盖了从紫外到远红外的频谱区域。
器） – 半导体激光器（如砷化镓激光器） – 液体激光器。
(一) 固体激光器
固体激光器的典型实例就是红宝石激光器，它是
人类发明的第一种激光器，诞生于1960年。红宝 石激光器的工作介质是掺0.5%铬的氧化铝（即红 宝石），激光器采用强光灯作泵浦，红宝石吸收 其中的蓝光和绿光，形成粒子数反转，受激发出 深红色的激光（波长约694nm）；
7.1.3 电致发光器件－发光二极管
定义：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象
称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。 利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如发 光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。
发光二极管的结构：
绝缘层
P型半导体
电极 N型半导体 控制层 电极
7.1.3 电致发光器件－发光二极管
波长300~380nm称为近紫外线 波长200~300nm称为远紫外线 波长10~200nm称为极远紫外线
频率
电磁波谱图
7.1 光源
红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
光谱分布如图所示。
0.01 波长/mm
0.05 0.1
0.5 1
极远紫外
远 近 可见光 近红外 紫紫 外外
5 10 远红外
7.1 光源
电磁波谱图
7.1 光源
光具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。 光的粒子性：光是以光速运动着的粒子（光子）
流，一束频率为的光由能量相同的光子所组成，每 个光子的能量为
Eh
光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。
15%左右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外 区域，约1－1.5μm，因此可用作近红外光源。
卤钨灯
7.1.2 气体放电光源
定义：电流通过气体会产生发光现象，利用这种原
理制成的光源称为气体放电光源。
特点：气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的
种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴 极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一光 谱范围的辐射源。
➢ 由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因
此上述现象称为光的受激辐射放大。
➢ 具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。
7.1.4 激光器
激光器的优点：单色性好、方向性好和亮度高。 种类：激光器种类繁多，按工作物质分类
– 固体激光器（如红宝石激光器） – 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光
7.1 光源
▪ 光源是光电式传感器的重要组成部分。
▪ 选择光源要考虑哪些因素？
波长
谱分布 相干性 体积 造价 功率
光源分类：
热辐射光源 气体放电光源 激光器 电致发光器件等
7.1.1 热辐射光源
定义：热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于
这种原理的光源称为热辐射光源。
实例：白炽灯、卤钨灯 ； 白炽灯特点：白炽灯为可见光源，但它的能量只有
7.1.4 激光器
激光产生的过程：
➢ 某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量（如
特定频率的辐射），从低能级跃迁到高能级上（受激 吸收）；
➢ 如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就
形成了粒子数反转，在特定频率的光子激发下，高能 粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率 相同的光子（受激发射）；
② 光电器件将光信号转换为电信号； ③ 电信号经后续电路解调分离出被测信息，实现
测量。
特点：频谱宽、不受电磁干扰影响、非接触测量、
体积小、重量轻、造价低等。
7.1 光源
光波：波长10~106nm电磁波。
波长
可见光波长：380~780nm；
红外线波长：780~106nm；
紫外线波长：10~380nm；
Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）是另一种常
见的固体激光器，与红宝石激光器相比，对光泵 的要求较低，可见光甚至近红外都可以作其光泵， 这种激光器发出的波长为1.06μm的红外光。
(二) 气体激光器
特点：
➢ 气体介质的密度低得多，因而单位体积能够实现的 离子反转数目也低得多，为了弥补气体密度低的不 足，气体激光器的体积一般都比较大。
在几十毫安之内，太大会引起输出光强饱和，甚至 损坏器件，使用时常串连一电阻。
7.1.3 电致发光器件－发光二极管
发光二极管的结构
绝缘层
P型半导体
电极 N型半导体 控制层 电极
发光二极管的发光强度与电流成正比，这个电流
约在几十毫安之内，太大会引起输出光强饱和， 甚至损坏器件，使用时常串连一电阻。
第七章 光电式传感器
工作原理：被测量光信号电信号（借助光电
器件）；
基本组成（见下图）：辐射源、光学通路、光电
器件；
辐射源
光学通路
光电器件
输出
被测量
被测量
光电式传感器原理图
第七章 光电式传感器
工作过程：
① 被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将被 测信息调整到光波上，可改变光波的强度、相 位、空间分布和频谱分布；
外延生长一层P型半导体，PN结两边掺杂浓度呈递 减分布，光子频 率取决于PN结的价带和导带之间的能隙，改变能 隙大小可以改变二极管的发光频谱。
发光二极管的发光强度与电流成正比，这个电流约
7.1.2 气体放电光源
实例：低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱
仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯 的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长约为589nm， 它们经常用作光电检测仪器的单色光源。
特例：若利用高压或超高压的氙气放电发光，可制
成高效率的氙灯，它的光谱与日光非常接近。目前 氙灯又可以分为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯。
(二) 气体激光器
（1）氦-氖激光器是实验室常见的激光器，具有连续输 出激光的能力。它能够输出从红外的3.3μm到可见 光等一系列谱线，其中632.8nm谱线在光电传感器 中应用最广，该谱线的相干性和方向性都很好， 输出功率通常小于1mW，可以满足很多光电传感 器的要求。
➢ 气体介质均匀，激光稳定性好，另外气体可在腔内 循环，有利于散热，这是固体激光器所不具备的。
➢ 由于气体吸收线宽比较窄，气体激光器一般不宜采 用光泵作激励，更多的是采用电作激励。
种类：氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，
以及二氧化碳激光器、准分子激光器。它们的波长覆 盖了从紫外到远红外的频谱区域。
器） – 半导体激光器（如砷化镓激光器） – 液体激光器。
(一) 固体激光器
固体激光器的典型实例就是红宝石激光器，它是
人类发明的第一种激光器，诞生于1960年。红宝 石激光器的工作介质是掺0.5%铬的氧化铝（即红 宝石），激光器采用强光灯作泵浦，红宝石吸收 其中的蓝光和绿光，形成粒子数反转，受激发出 深红色的激光（波长约694nm）；
7.1.3 电致发光器件－发光二极管
定义：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象
称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。 利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如发 光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。
发光二极管的结构：
绝缘层
P型半导体
电极 N型半导体 控制层 电极
7.1.3 电致发光器件－发光二极管
波长300~380nm称为近紫外线 波长200~300nm称为远紫外线 波长10~200nm称为极远紫外线
频率
电磁波谱图
7.1 光源
红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
光谱分布如图所示。
0.01 波长/mm
0.05 0.1
0.5 1
极远紫外
远 近 可见光 近红外 紫紫 外外
5 10 远红外
7.1 光源
电磁波谱图
7.1 光源
光具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。 光的粒子性：光是以光速运动着的粒子（光子）
流，一束频率为的光由能量相同的光子所组成，每 个光子的能量为
Eh
光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。
15%左右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外 区域，约1－1.5μm，因此可用作近红外光源。
卤钨灯
7.1.2 气体放电光源
定义：电流通过气体会产生发光现象，利用这种原
理制成的光源称为气体放电光源。
特点：气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的
种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴 极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一光 谱范围的辐射源。
➢ 由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因
此上述现象称为光的受激辐射放大。
➢ 具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。
7.1.4 激光器
激光器的优点：单色性好、方向性好和亮度高。 种类：激光器种类繁多，按工作物质分类
– 固体激光器（如红宝石激光器） – 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光
7.1 光源
▪ 光源是光电式传感器的重要组成部分。
▪ 选择光源要考虑哪些因素？
波长
谱分布 相干性 体积 造价 功率
光源分类：
热辐射光源 气体放电光源 激光器 电致发光器件等
7.1.1 热辐射光源
定义：热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于
这种原理的光源称为热辐射光源。
实例：白炽灯、卤钨灯 ； 白炽灯特点：白炽灯为可见光源，但它的能量只有
7.1.4 激光器
激光产生的过程：
➢ 某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量（如
特定频率的辐射），从低能级跃迁到高能级上（受激 吸收）；
➢ 如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就
形成了粒子数反转，在特定频率的光子激发下，高能 粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率 相同的光子（受激发射）；
② 光电器件将光信号转换为电信号； ③ 电信号经后续电路解调分离出被测信息，实现
测量。
特点：频谱宽、不受电磁干扰影响、非接触测量、
体积小、重量轻、造价低等。
7.1 光源
光波：波长10~106nm电磁波。
波长
可见光波长：380~780nm；
红外线波长：780~106nm；
紫外线波长：10~380nm；
Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）是另一种常
见的固体激光器，与红宝石激光器相比，对光泵 的要求较低，可见光甚至近红外都可以作其光泵， 这种激光器发出的波长为1.06μm的红外光。
(二) 气体激光器
特点：
➢ 气体介质的密度低得多，因而单位体积能够实现的 离子反转数目也低得多，为了弥补气体密度低的不 足，气体激光器的体积一般都比较大。
在几十毫安之内，太大会引起输出光强饱和，甚至 损坏器件，使用时常串连一电阻。
7.1.3 电致发光器件－发光二极管
发光二极管的结构
绝缘层
P型半导体
电极 N型半导体 控制层 电极
发光二极管的发光强度与电流成正比，这个电流
约在几十毫安之内，太大会引起输出光强饱和， 甚至损坏器件，使用时常串连一电阻。
第七章 光电式传感器
工作原理：被测量光信号电信号（借助光电
器件）；
基本组成（见下图）：辐射源、光学通路、光电
器件；
辐射源
光学通路
光电器件
输出
被测量
被测量
光电式传感器原理图
第七章 光电式传感器
工作过程：
① 被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将被 测信息调整到光波上，可改变光波的强度、相 位、空间分布和频谱分布；